Datenkommunikaton Industrie-WLAN im 5-GHz-Frequenzband

Zusätzliche Funkkapazität für die Automation
Zusätzliche Funkkapazität für die Automation

Die funkbasierte Datenübertragung hat in den letzten Jahren Einzug in viele Bereiche der Automatisierungstechnik gehalten. Heute wird nicht mehr über Sicherheit und Zuverlässigkeit der verschiedenen Wireless-Technologien diskutiert. Die Fachleute beschäftigt vielmehr, wie das knappe Frequenzband auch zukünftig effizient verwendet werden kann. Hier eröffnet WLAN im 5-GHz-Band interessante Möglichkeiten

WLAN-Anwendungen, die im Frequenzbereich von 2,4 GHz (IEEE 802.11 b/g) funken, sind im industriellen Umfeld weit verbreitet. Die Auslastung des Bandes mit nur drei überlappungsfrei nutzbaren Kanälen nimmt somit weiter zu. Eine zweckmäßige Frequenzplanung stellt in diesem Zusammenhang nach wie vor den zuverlässigen Betrieb des Funknetzes sicher, was tausende Applikationen täglich beweisen.

Doch wie lassen sich auch in Zukunft zusätzliche Kapazitäten erschließen? Das 2,4-GHz-Band ist 83,5 MHz breit und bietet - wie bereits erwähnt - Raum für drei WLAN-Kanäle, die bei einer Übertragungsrate von 54 Mbit/s jeweils eine Bandbreite von rund 22 MHz beanspruchen. Daher ist die Kapazität des 2,4-GHz-ISM-Bands (Industrial, Scientific, Medical) für WLAN ausgeschöpft. Das 5-GHz-Frequenzband erlaubt demgegenüber erheblich mehr WLAN-Funkkanäle und wird deshalb für industrielle Anwendungen immer interessanter.

Unterbrechung der Funkstrecke im Outdoor-Bereich möglich

Die Nutzungsbestimmungen von Funkfrequenzen liegen grundsätzlich in der Hand der Regulierungsbehörde des jeweiligen Landes. Das 2,4-GHz-WLAN verdankt seine weltweite Verbreitung auch der Tatsache, dass diese Bestimmungen international weitgehend einheitlich sind.

Im 5-GHz-Band gibt es hingegen einige Abweichungen zwischen den Ländern, wobei die europäischen Staaten ihre Festlegungen weitgehend harmonisiert haben. Viele Hersteller industrieller WLAN-Geräte stellen eine Web-Oberfläche zur Verfügung, über die der Anwender das Einsatzland definieren sowie zwischen einer Indoor- und Outdoor-Applikation unterscheiden kann. Hinter der Auswahl verbergen sich die jeweils zulässigen Funkfrequenzen und Sendeleistungen, was die Berücksichtigung der regulatorischen Besonderheiten vereinfacht.

Entscheidender Vorteil des 5-GHz-Bandes ist die höhere Anzahl überlappungsfreier Kanäle. Weil die Frequenz relativ hoch ist, beträgt die Breite des Frequenzbandes je nach länderspezifischer Bestimmung bis zu 450 MHz. In Europa bedeutet dies 19 für den Anwender verwendbare Kanäle.

Allerdings gibt es vorrangig zu bedienende Nutzer, denn das Frequenzspektrum ist nicht für Industrie, Wissenschaft und Medizin reserviert. So können die Frequenzen beispielsweise von Radar-Anwendungen belegt sein.

Aus diesem Grund haben die Hersteller eine vorgeschriebene Software-Funktion in ihre WLAN-Geräte eingebaut, die das Radar erkennt und automatisch den Kanal wechselt. Dies wird als Dynamic Frequency Selection (DFS) bezeichnet. Die Funktion, die eine Störung der Primär-Nutzer vermeidet, muss immer dann aktiviert werden, wenn das WLAN-Gerät im Außenbereich eingesetzt wird.

Für den industriellen Anwender kann DFS eine Unterbrechung der Funkstrecke von einer Minute und auf drei Kanälen sogar von bis zu zehn Minuten (primär für Wetterradar) nach sich ziehen. Die möglicherweise verzögerte Datenübertragung ist in der Applikation unbedingt zu beachten. Sie hat in vielen Anwendungen, die beispielsweise nur der Überwachung entlegener Stationen dienen und daher nicht zu 100 % verfügbar sein müssen, kaum Auswirkungen.

Klassische Funkapplikationen innerhalb von Gebäuden müssen nicht auf Primär-Nutzer Rücksicht nehmen. Die vier unteren Kanäle des 5-GHz-Bands können im Innenbereich unterbrechungsfrei verwendet werden. Es findet kein Radar-Scan statt, da die Gebäude gut abschirmen, so dass sie Radaranwendungen nicht beeinflussen. Der Anwender kann die vier Kanäle also seiner Maschine oder Anlage fest zuordnen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel fahrerlose Transportsysteme, Regalbediengeräte, Einschienenhängebahnen, Krananlagen oder Maschinensteuerungen drahtlos vernetzen, die unterbrechungsfrei arbeiten müssen.

Höhere Sendeleistung gleicht Reichweitenverlust aus

Hinsichtlich der Reichweite unterliegt ein 5-GHz-Signal aufgrund der höheren Frequenz einer höheren Dämpfung. Im Vergleich zum 2,4-GHz-Band halbiert sich die Übertragungsdistanz deshalb bei gleicher Sendeleistung theoretisch.

Dieser Umstand wirkt sich im Indoor-Bereich - beispielsweise einer Produktionshalle mit hoch reflektiver Umgebung - kaum aus. Außerdem ist eine höhere Sendeleistung erlaubt, die den Reichweitenverlust ausgleichen kann (Bild 1).

Es bleibt somit festzustellen, dass das 5-GHz-Band für den Innenbereich vier weitere WLAN-Kanäle bietet, die ähnlich wie die 2,4-GHz-Kanäle genutzt werden können. Außerhalb von Gebäuden muss der Anwender mit zeitlichen Unterbrechungen rechnen, die allerdings nur dann auftreten, sofern in der Nähe ein Radarsystem arbeitet.

Bei Applikationen im Outdoor-Bereich handelt es sich häufig um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die eine höhere Datenrate bedingen, als sie proprietäre Funklösungen zur Verfügung stellen können. Beispielsweise werden abgelegene Anlagen in das Netzwerk integriert, für die (noch) keine Breitband-Kabelverbindung besteht. Die erheblich höhere zulässige Sendeleistung von 5-GHz-WLAN gleicht auch hier die gegenüber dem 2,4-GHz-Band höhere Streckendämpfung aus.

Bei Outdoor-Anwendungen beträgt die erlaubte abgestrahlte Leistung im 5-GHz-Bereich 1.000 mW (30 dBm), während der Wert im 2,4-GHz-WLAN bei 100 mW (20 dBm) liegt. Erreicht werden diese hohe Leistung und entsprechende Reichweite mit Hochgewinn-Richtantennen. Ist eine freie Sichtverbindung und Einhaltung der so genannten Fresnel-Zone durch die Montage der Antenne an einem Mast oder höheren Gebäude gegeben, lassen sich Distanzen von mehreren Kilometern überbrücken.

Im Hinblick auf die Absicherung der Funkverbindung vor unbefugten Zugriffen unterstützt das 5-GHz-Band ebenfalls die sichere WPA2-Verbindung gemäß dem -IEEE-Standard 802.11i. Da-rüber hinaus kann eine industrielle Firewall zwischen WLAN und Netzwerk installiert werden. Die Daten sind also vor Manipulation geschützt.